Only Connect: una guía para la fibra óptica

Bienvenidos a otro post de la serie de Nick Locke, denicab ltd, quien tiene más de 15 años de experiencia en la industria de fabricación de productos electrónicos y se especializa en el ensamblaje de cables de interconexión.

Bienvenidos a otro post de la serie de Nick Locke, denicab ltd, quien tiene más de 15 años de experiencia en la industria de fabricación de productos electrónicos y se especializa en el ensamblaje de cables de interconexión.

Como sabrán, soy un gran admirador de la fibra óptica, la razón principal es que el ancho de banda es enorme y sus usos son casi infinitos. ¡Ah, y no se oxidará!

Esta semana he decidido daros un auténtico capricho con una guía de fibra óptica de nuestros amigos de la FOA (Fiber Optic Association).

Fibra óptica

La fibra óptica es el medio de comunicación que funciona mediante el envío de señales ópticas a través de hilos delgados como un cabello de fibra de vidrio o plástico extremadamente puro. La luz es "guiada" por el centro de la fibra llamada "núcleo". El núcleo está rodeado por un material óptico llamado "revestimiento" que atrapa la luz en el núcleo utilizando una técnica óptica llamada "reflexión interna total". La fibra en sí está recubierta por un "amortiguador", ya que está hecha para proteger la fibra de la humedad y el daño físico. El búfer es lo que se quita de la fibra para la terminación o el empalme.

El núcleo y el revestimiento suelen estar hechos de vidrio ultrapuro, aunque algunas fibras son todas de plástico o un núcleo de vidrio y un revestimiento de plástico. El núcleo está diseñado para tener un índice de refracción más alto, un parámetro óptico que es una medida de la velocidad de la luz en el material, que el revestimiento, lo que hace que la "reflexión interna total" atrape la luz en el núcleo hasta cierto ángulo. , que define la "apertura numérica" ​​de la fibra.

La fibra de vidrio está recubierta con una cubierta protectora de plástico llamada "revestimiento amortiguador primario" que la protege de la humedad y otros daños. El "cable" que tiene las fibras y los miembros de resistencia proporciona más protección dentro de una cubierta protectora exterior llamada "chaqueta".

Tipos de fibra: multimodo y monomodo, tamaño de núcleo/revestimiento

Los dos tipos de fibra son multimodo y monomodo. Dentro de estas categorías, las fibras se identifican por los diámetros de su núcleo y revestimiento expresados ​​en micras (una millonésima parte de un metro), por ejemplo, fibra multimodo de 50/125 micras. La mayoría de las fibras tienen un diámetro exterior de 125 micras; metro y 125 micras es 0,005 pulgadas, un poco más grande que el típico cabello humano.

La fibra multimodo tiene luz que viaja en el núcleo en muchos rayos, llamados modos. Tiene un núcleo más grande (casi siempre de 50 o 62,5 micras) que admite la transmisión de múltiples modos (rayos) de luz. El modo multimodo generalmente se usa con fuentes LED en longitudes de onda de 850 y 1300nm (ver más abajo) para redes de área local (LAN) más lentas y láseres a 850 (VCSEL) y 1310nm (láseres Fabry-Perot) para redes que funcionan a gigabits por segundo o más .

La fibra monomodo tiene un núcleo mucho más pequeño, solo unas 9 micras, por lo que la luz viaja en un solo rayo (modo). Se usa para telefonía y CATV con fuentes láser a 1300 y 1550nm porque tiene menos pérdidas y un ancho de banda prácticamente infinito. La fibra óptica plástica (POF) es una fibra de núcleo grande (alrededor de 1 mm), generalmente de índice escalonado, que se utiliza para redes cortas y de baja velocidad.

PCS/HCS (sílice con revestimiento de plástico o duro, revestimiento de plástico sobre un núcleo de vidrio) tiene un núcleo de vidrio más pequeño (alrededor de 200 micras) y un revestimiento de plástico delgado.

El multimodo de índice escalonado fue el primer diseño de fibra. Tiene mayor atenuación y es demasiado lento para muchos usos, debido a la dispersión causada por las diferentes longitudes de trayectoria de los diversos modos que viajan en el núcleo. La fibra de índice escalonado no se usa mucho: solo POF y PCS/HCS (plástico o sílice con revestimiento duro, revestimiento de plástico sobre un núcleo de vidrio) utilizan un diseño de índice escalonado en la actualidad.

La fibra multimodo de índice graduado utiliza variaciones en la composición del vidrio en el núcleo para compensar las diferentes longitudes de trayectoria de los modos. Ofrece cientos de veces más ancho de banda que la fibra de índice escalonado, hasta aproximadamente 2 gigahercios. Se utilizan dos tipos, 50/125 y 62,5/125, donde los números representan el diámetro del núcleo/revestimiento en micras.

La fibra monomodo encoge el núcleo tan pequeño que la luz solo puede viajar en un rayo. Esto aumenta el ancho de banda casi hasta el infinito, pero está prácticamente limitado a unos 100 000 gigahercios, ¡eso sigue siendo mucho! La fibra monomodo tiene un diámetro de núcleo de 8 a 10 micras, especificado como "diámetro de campo modal", el tamaño efectivo del núcleo y un diámetro de revestimiento de 125 micras.

Las fibras especiales se han desarrollado para aplicaciones que requieren especificaciones de rendimiento de fibra únicas. Las fibras monomodo dopadas con erbio se utilizan en amplificadores de fibra, dispositivos utilizados en redes de distancia extremadamente larga para regenerar señales. Las fibras están optimizadas para ancho de banda en longitudes de onda apropiadas para sistemas DWDM o para invertir la dispersión cromática. Esta es un área activa de desarrollo de fibra.

La fabricación de fibra óptica con precisión submicrónica es un proceso interesante que consiste en fabricar vidrio ultrapuro y estirarlo en hebras del tamaño de un cabello humano. El proceso comienza con la fabricación de un perform, una barra de vidrio de gran diámetro que tiene exactamente la misma sección transversal óptica que una fibra pero es cientos de veces más grande. El extremo de la caña se calienta y se extrae un hilo delgado de fibra de la bobina y se enrolla en carretes grandes. Después de la fabricación, la fibra se prueba y luego se convierte en cable.

Aquí hay más información sobre la fabricación de fibra.

Tamaños y tipos de fibra

La fibra viene en dos tipos, monomodo y multimodo. A excepción de las fibras utilizadas en aplicaciones especiales, la fibra monomodo se puede considerar de un solo tamaño y tipo. Si trabaja con cables submarinos o de telecomunicaciones de larga distancia, es posible que deba trabajar con fibras monomodo especiales.

Tamaños relativos de todas las fibras

Comparación de tamaños de núcleo/revestimiento

Las fibras multimodo originalmente venían en varios tamaños, optimizadas para varias redes y fuentes, pero la industria de datos estandarizó la fibra de 62,5 núcleos a mediados de los años 80 (la fibra 62,5/125 tiene un núcleo de 62,5 micras y un revestimiento de 125 micras. Ahora se llama estándar OM1 fibra.) Recientemente, a medida que las redes gigabit y 10 gigabit se han vuelto ampliamente utilizadas, se ha revivido un antiguo diseño de fibra. La fibra 50/125 se usó desde finales de los años 70 con láseres para aplicaciones de telecomunicaciones antes de que la fibra monomodo estuviera disponible. La fibra 50/125 (estándar OM2) ofrece un mayor ancho de banda con las fuentes láser utilizadas en las LAN gigabit y puede permitir que los enlaces gigabit recorran distancias más largas. Actualmente, la mayoría considera que la fibra OM3 más nueva o la fibra 50/125 optimizada para láser es la mejor opción para aplicaciones multimodo.

Para identificar los tipos de fibra en un cable, existen códigos de colores estandarizados para la cubierta del cable cubiertos por TIA-598. Aquí hay más información sobre códigos de colores para cables y conectores.

Tipos de fibra y especificaciones típicas (OM/OS se refiere a tipos TIA, B se refiere a tipos IEC, G se refiere a tipos ITU)

Núcleo/Revestimiento

Atenuación

Banda ancha

Aplicaciones/Notas

Índice graduado multimodo

@850/1300 nanómetro

@850/1300 nanómetro

50/125 micras (OM2)

3/1dB/km

500/500 MHz-km

Clasificación láser para LAN GbE

50/125 micras (OM3)

3/1dB/km

2000/500 MHz-km

Optimizado para VCSEL de 850 nm

50/125 micras (OM4)

3/1dB/km

3600/500 MHz-km

Optimizado para VCSEL de 850 nm, mayor velocidad

62,5/125 micras (OM1)

3/1dB/km

160-200/500 MHz-km

fibra LAN

100/140 micras

3/1dB/km

150/300 MHz-km

Obsoleto

Modo singular

@1310/1550 nanómetro

9/125 micras (OS1 B1.1 o G.652)

0,4/0,25 dB/km

¡ALTO!

~100 terahercios

Fibra monomodo, más común para Telco/CATV/LAN de alta velocidad

9/125 micras (OS2, B1.2 o G.652)

0,4/0,25 dB/km

¡ALTO!

~100 terahercios

Fibra de bajo pico de agua

9/125 micras (B2 o G.653)

0,4/0,25 dB/km

¡ALTO!

~100 terahercios

Fibra desplazada por dispersión

9/125 micras (B1.2 o G.654)

0,4/0,25 dB/km

¡ALTO!

~100 terahercios

Corte de fibra desplazada

9/125 micras (B4 o G.654)

0,4/0,25 dB/km

¡ALTO!

~100 terahercios

Fibra desplazada de dispersión distinta de cero

Índice de pasos multimodo

@850 nanómetro

@850 nanómetro

200/240 micras

4-6dB/km

50 MHz-km

LAN y enlaces lentos

POF (fibra óptica de plástico)

@ 650 nanómetro

@ 650 nanómetro

1 milímetro

~ 1dB/m

&nb sp;~5 MHz-km

Enlaces cortos y coches

PRECAUCIÓN: ¡No se pueden mezclar y combinar fibras! Intentar conectar fibra monomodo a fibra multimodo puede causar una pérdida de 20 dB, es decir, el 99 % de la potencia. Incluso las conexiones entre 62,5/125 y 50/125 pueden provocar una pérdida de 3 dB o más, más de la mitad de la potencia. Más sobre fibras no coincidentes.

Especificaciones de fibra

Las especificaciones habituales de la fibra son el tamaño (diámetro del núcleo/revestimiento en micras), el coeficiente de atenuación (dB/km a las longitudes de onda apropiadas) y el ancho de banda (MHz-km) para la fibra multimodo y la dispersión cromática y del modo de polarización para la fibra monomodo. Mientras que los fabricantes tienen otras especificaciones para diseñar y fabricar la fibra según los estándares de la industria, como la apertura numérica (el ángulo de aceptación de la luz en la fibra), la ovalidad (cuán redonda es la fibra), la concentricidad del núcleo y el revestimiento, etc., estas especificaciones generalmente no afectan usuarios que especifican fibras para comprar o instalar. Aquí hay más información sobre cómo probar las especificaciones de fibra.

Algunas fibras han sido diseñadas para ser mucho menos sensibles a las pérdidas inducidas por flexión. Estas fibras "insensibles a la flexión" están diseñadas para usarse como latiguillos o en aplicaciones de locales estrechos donde las fibras regulares sufrirían pérdidas. Aquí hay más información sobre las fibras insensibles a la flexión.

Atenuación

La especificación principal de la fibra óptica es la atenuación. La atenuación significa una pérdida de potencia óptica. La atenuación de una fibra óptica se expresa mediante el coeficiente de atenuación que se define como la pérdida de la fibra por unidad de longitud, en dB/km.

La atenuación de la fibra óptica es el resultado de dos factores, absorción y dispersión. La absorción es causada por la absorción de la luz y la conversión en calor de las moléculas en el vidrio. Los absorbentes primarios son OH+ residuales y dopantes utilizados para modificar el índice de refracción del vidrio. Esta absorción ocurre en longitudes de onda discretas, determinadas por los elementos que absorben la luz. La absorción de OH+ es predominante y ocurre con mayor fuerza alrededor de 1000nm, 1400nm y por encima de 1600nm.

La mayor causa de atenuación es la dispersión. La dispersión ocurre cuando la luz choca con átomos individuales en el vidrio y es anisotrópica. La luz que se dispersa en ángulos fuera de la apertura numérica de la fibra se absorberá en el revestimiento o se transmitirá hacia la fuente. La dispersión también es una función de la longitud de onda, proporcional a la inversa de la cuarta potencia de la longitud de onda de la luz. Por lo tanto, si duplica la longitud de onda de la luz, reduce las pérdidas por dispersión en 2 a la cuarta potencia o 16 veces.

Por ejemplo, la pérdida de fibra multimodo es mucho mayor a 850 nm (llamada longitud de onda corta) a 3 dB/km, mientras que a 1300 nm (llamada longitud de onda larga) es de solo 1 dB/km. Eso significa que a 850 nm, la mitad de la luz se pierde en 1 km, mientras que solo el 20 % se pierde a 1300 nm.

Por lo tanto, para la transmisión a larga distancia, es ventajoso utilizar la longitud de onda práctica más larga para una atenuación mínima y una distancia máxima entre repetidores. Juntas, la absorción y la dispersión producen la curva de atenuación para una fibra óptica de vidrio típica que se muestra arriba.

Los sistemas de fibra óptica transmiten en las "ventanas" creadas entre las bandas de absorción a 850nm, 1300nm y 1550nm, donde la física también permite fabricar láseres y detectores fácilmente. La fibra plástica tiene una banda de longitud de onda más limitada, que limita el uso práctico a fuentes LED de 660 nm.

Banda ancha

La capacidad de transmisión de información de la fibra multimodo está limitada por dos componentes separados de dispersión: modal y cromática. La dispersión modal proviene del hecho de que el perfil de índice de la fibra multimodo no es perfecto. El perfil de índice graduado se eligió para permitir teóricamente que todos los modos tengan la misma velocidad de grupo o velocidad de tránsito a lo largo de la fibra. Al hacer que las partes externas del núcleo tengan un índice de refracción más bajo que las partes internas del núcleo, los modos de orden superior se aceleran a medida que se alejan del centro del núcleo, compensando sus longitudes de trayectoria más largas.

En una fibra idealizada, todos los modos tienen la misma velocidad de grupo y no se produce dispersión modal. Pero en las fibras reales, el perfil de índice es una aproximación por partes y no todos los modos se transmiten perfectamente, lo que permite cierta dispersión modal. Dado que los modos de orden superior tienen mayores desviaciones, la dispersión modal de una fibra (y por lo tanto su ancho de banda láser) tiende a ser muy sensible a las condiciones modales de la fibra. Por lo tanto, el ancho de banda de las fibras más largas se degrada de forma no lineal a medida que los modos de orden superior se atenúan con mayor fuerza.

El segundo factor en el ancho de banda de la fibra, la dispersión cromática, afecta tanto a la fibra multimodo como a la monomodo. Recuerda que un prisma ensancha el espectro de la luz incidente ya que la luz viaja a diferentes velocidades según su color y por lo tanto se refracta en diferentes ángulos. La forma habitual de afirmar esto es que el índice de refracción del vidrio depende de la longitud de onda. Por lo tanto, un perfil de índice graduado cuidadosamente fabricado solo puede optimizarse para una sola longitud de onda, generalmente cerca de 1300 nm, y la luz de otros colores sufrirá dispersión cromática. Incluso la luz en el mismo modo se dispersará si tiene diferentes longitudes de onda.

La dispersión cromática es un gran problema con las fuentes LED en fibra MM, que tienen salidas espectrales amplias, a diferencia de los láseres que concentran la mayor parte de su luz en un rango espectral estrecho. Los sistemas como FDDI, basados ​​en LED emisores de superficie de salida de amplio espectro, sufrieron una dispersión cromática tan intensa que la transmisión se limitó a solo dos km de fibra 62,5/125.

La dispersión cromática (CD) también afecta los enlaces largos en los sistemas monomodo, incluso con láser, por lo que la fibra y las fuentes se optimizan para minimizar la dispersión cromática en los enlaces de larga distancia.

¡Bien hecho por superar esto, estoy seguro de que estarás de acuerdo conmigo en que la fibra es increíble y por qué no usarla más! De todos modos, como regalo especial, ¡te daré una prueba la próxima semana para ver cuánto has aprendido!

Entradas anteriores de Only Connect:

* Solo Connect: tecnología de producto: cableado de red Cat 7

* Only Connect: nanotubos de carbono: una nueva tecnología de interconexión

* Solo conectar: ​​diez cosas a tener en cuenta al elegir un conector coaxial< /b>

* Only Connect: Cómo promover la fabricación en el Reino Unido #4

* Only Connect: energía renovable fabricada en el Reino Unido (Going Green #5)

*Only Connect: Electrónica y desastres naturales

* Only Connect: una guía sencilla de conectores DVI

* Only Connect: un rayo de innovación

* Only Connect: El principio dorado del buen diseño

* Only Connect: Conectores de fibra comunes: una guía

* Only Connect: innovación de producto – señal de mezcla

* Only Connect: IPC versus cuadro de mando electrónico de Greenpeace

* Only Connect: innovación de productos desde el espacio

* Solo conectar: ​​el conector MagSafe de Apple tiene sentido

* Only Connect: guía de conexiones coaxiales

* Only Connect: Eco-regalo para Navidad (Going Green #4)

* Only Connect: cómo promover la fabricación en el Reino Unido n.º 3

* Solo conectar: ​​al usar conectores Ethernet

* Only Connect: los superconductores de alta temperatura son buenas noticias para las energías renovables

* Only Connect: una mentalidad positiva para ganar contratos gubernamentales

* Only Connect: un Top Ten de fabricantes de conectores

* Solo conexión: lodo tóxico rojo señala el camino (Going Green #3)

* Solo conexión: Consejos prácticos de diseño n.º 4: Ethernet a prueba de explosiones

* Only Connect: ¡Estamos cambiando el mundo para que sea un lugar mejor, cariño!

* Solo conecte: Consejos prácticos de diseño n.° 3: el conector incorrecto correcto

* Only Connect: Orgulloso de la marca Made In UK